распределение поверхностной фотоЭДС

Цель работы. Изучить распределение поверхностной фотоЭДС на границе раздела полупроводник-электролит по плоскости кремние­вой пластины. В характерных точках пластины измерить люкс-ампер­ные и спектральные характеристики сигнала фотоЭДС и определить объемное время жизни неосновных носителей заряда.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Возникновение фотоэлектродвижущих сил (фотоЭДС) в полупро­воднике связано с существованием неравновесных носителей заряда, генерируемых светом, и выполнением одного из двух следующих усло­вий:

• существование неоднородности в полупроводнике, которая приво­дит к возникновению внутреннего электрического поля, разделяющего неравновесные носители заряда;
• неоднородное поглощение света, приводящее к градиенту концент­рации неравновесных носителей заряда.

Полную фотоЭДС можно измерить конденсаторным методом,

объемную фотоЭДС Дембера (диффузионную фотоЭДС), возникающую в результате различной подвижности электронов и дырок и их диффузии вследствие градиента концентрации неравновесных носите­лей заряда;

• поверхностную фотоЭДС, которая в свою очередь также многокомпонентна.

Специфическим видом поверхностной фотоЭДС является фото­ЭДС на границе раздела полупроводник-электролит. Если погрузить полупроводник в раствор электролита, то между ионами электролита и полупроводником начнется переход зарядов. Перемещение зарядов че­рез межфазовую границу приводит к образованию двойного электриче­ского слоя, определяющего разность потенциалов на межфазовой гра­нице.

Эта разность потенциалов носит название гальванипотенциала. Межфазовая граница раздела полупроводник-электролит состоит из трех областей. В электролите: слой Гельмгольца (рис. 3.1), представля­ющий собой ионный слой, распространяющийся на один ионный радиус от поверхности полупроводника, и диффузионный (или слой Гуи) – создаваемый ионами в электролите, находящимися на расстояниях, больших, чем радиус иона.

Рис. 3.1. Строение двойного слоя (1), распределение потенциала (2) и заряда (3) на границе раздела полупроводник-электролит.

Толщина слоя Гуи зависит от концентрации ионов, их валентности и от температуры электролита. Вторую сторону межфазовой границы образует слой пространственного заряда в полупроводнике, возникающий за счет перераспределения заряда в приповерхностной области. Гальванипотенциал образуется как суммарное падение потенциала на каждой из областей:

                                                        (3.1)

Отношение падений потенциала можно определить из следующих соотношений:

                                                                            (3.2)

где— падение потенциала в области пространственно го заряда;

φβ – потенциал в глубине полупроводника;

φ0 – падение потенциала в слое Гельмгольца;

ψ’ падение потенциала в диффузионной части двойного слоя I электролите;

ψс – потенциал в глубине электролита;

L1 и L2 – дебаевская длина в полупроводнике и электролите соот­ветственно;

ε0, ε1, ε2 – значение диэлектрической проницаемости в слое Гель­мгольца, в полупроводнике и электролите соответственно.

Из анализа выражений (3.2) следует, что при сравнительно высо­кой концентрации электролита и малой плотности поверхностных со­стояний электрические свойства межфазовой границы полупровод­ник-электролит определяютс объемным зарядом полупроводника.

При освещении полупроводника поверхностно-поглощаемым све­том проиcходит генерация неравновесных носителей заряда вблизи по­верхности. В зависимости от природы объемного заряда, т.е. в зависи­мости от обеднения или обогащения приповерхностного слоя, электро­ны будут двигаться либо к поверхности, либо от нес, в то время как дырки будут двигаться в противоположном направлении. Такое разде­ление приводит к изменению потенциала между объемом и поверхно­стью полупроводника и возникновению поверхностной фотоЭДС.

Разность потенциалов между объемом и поверхностью полупровод­ника соответствует разнице между положением уровня Ферми в нео­свещенной части полупроводника, где соблюдаются условия термоди­намического равновесия, и положением квазиуровня Ферми в освеща­емой части полупроводника. В объеме полупроводника концентрация электронов и дырок соответственно равна

                                 ;                 
                                ,                                               (3.3)

где n0, p0 – концентрации носителей в объеме;

Nc, Nv– плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне;

ЕFO – уровень Ферми в объеме полупроводника.

Для освещаемой области полупроводника соответственно

;

,                                               (3.4)

где ЕF  – энергия, соответствующая квазиуровню Ферми.

Тогда

;

,                                               (3.5)

Полагая, что

, ;

, n0>>Δn, p0>>Δp,

где Δр и Δn– неравновесные концентрации носителей заряда, реша­ем систему (3.5). Тогда величина фотоЭДС определяется следующим выражением:

.                                       (3.6)

Как видно из выражения (3.2), величина фотоЭДС будет при любых
(ро–по) определяться величиной Δр.

Если LD и S не зависят от λ, то величина поверхностной фотоЭДС определяется следующим выражением:

.                                          (3.12)

Считая значения α, R и I известными, можно определить LD и τ измеряя зависимость величины поверхностной фотоЭДС U от длины волны λ.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На рис. 3.2 приведена схема лабораторной установки. Основными ее частями являются монохроматор УМ-2 (1), разлагающий излучение источника света ОИ-24 (2) по длинам волн и  ячейка с электролитом (3), в которую помещается исследуемая пластина и контрэлектрод. Свет от источника излучения (2) прерывается модулятором (4) и фокусируется на входное отверстие монохроматора (1), на выходе которого находится ячейка с пластиной (3). ФотоЭДС, возникшая в системе полупроводник-электролит-контрэлектрод, регистрируется стрелочным вольт­метром ВЗ-33 (5).

Рис.3.2. Схема лабораторной установки.

Расчёты.

Люкс-амперная характеристика + Градуировочная таблица

Спектральные характеристики

и ; ;

где D – коэффициент диффузии дырок, равный 13,1 см2/с.

L1=1.667*10-5  ,                   L2=1,999*10-5.

τ1= L21/D=2.121*10-7,         τ2= L22/D= 1.288*10-7.

Вывод: Изучили распределение поверхностной фотоЭДС на границе раздела полупроводник-электролит по плоскости кремние­вой пластины. В характерных точках пластины измерили люкс-ампер­ные и спектральные характеристики сигнала фотоЭДС и определили объемное время жизни неосновных носителей заряда